麻省理工學院開發出高效率新型無膜氫溴電池

    鋰電世界  麻省理工學院機械工程系的研究人員近日開發出一種新型無膜氫溴電池，其性能與傳統的有膜電池相當，卻大大降低了成本，在低成本高容量電化學儲能技術上取得了新的進展，有望深刻改變當今的能源格局。

    當今儲能技術成本太高

    在當今的能源市場上，電能來源十分豐富，既有傳統的煤電、油電、水電，也有正在大力發展的風能、太陽能等間歇性能源。用戶的需求也不是衡定不變的，存在著用電的波峰波谷。因此一個不容忽視的重要技術環節就是儲能技術。所謂的儲電能力意味著當電力供應充足時，可將其儲存起來，需要電時，則可以提供。儲能能力強不僅可以確保骨干電網和分布式電網高效穩定地提供電力供應，也是大規模使用太陽能和風能等間歇性能源的有力保障，尤其是發展中國家及移動業都對便攜式儲能裝置有著強烈的需求。

    電化學儲能系統，如電池和燃料電池等，在儲能技術上的應用前景十分廣闊。它們可以快速高效地充放電。特別是在利用太陽能或風能時，可以在太陽照耀時儲存電能，或風力強勁時儲能，然后在多云或風淡的時候，在幾分鐘內把電供應出來。此外它們還十分靈活便捷，哪里需要，就可以把他們放置在哪里。

    不過電化學儲能系統面臨的最大問題是成本問題，即便是最好的電化學儲能裝置要想擁有較大的容量，其成本也會令人難以接受。舉例來說，一卡車大小的鋰電池可以提供大量的能量，但是成本實在太高了。因此發展可再生能源與其說是技術問題，倒不如說是缺少具有成本效益的儲能技術手段。

    隔離膜：氫溴儲能系統的最大難題

    在研究和探索大規模電化學儲能裝置的過程中，人們開始把注意力集中在氫溴儲能系統。這兩種反應物有一些獨特的品性，引人關注。和鋰相比，溴價格便宜，容易獲得，且儲量豐富。其原子序數為35，是一種鹵素，最外層上有7個電子，容易形成8電子穩定結構，所以是活潑的非金屬單質，而氫恰恰可以提供一個電子。因此在氫和溴之間可極其迅速地發生化學反應，其速度比氫氧反應要快，其電流也較大，而目前的高容量電化學儲能裝置大多依靠氫氧化學反應。

    但當氫和溴發生自發反應時,由于反應過于迅速，其能量大多會以熱能的形式白白浪費掉。為了解決這一難題，電化學儲能系統的設計師們通常利用價格不菲的隔離膜將其分開。有膜氫溴儲能系統又存在另外一個問題，就是隨著時間的推移，當電化學儲能設備內部產生氫溴酸后，會損壞隔離膜。因此，30年來氫溴液流電池的研究進展十分緩慢。

    其實答案十分明顯，如果要想有效地開發利用氫溴電化學儲能系統，最重要的是要想辦法擺脫掉隔離膜。有這樣想法的人很多，不僅是現在的科學家想到了，過去也有人想到過這樣的方法。在過去的10年中，有許多科學家已經開發出了無膜氫溴電化學儲能系統。這些系統主要利用流體力學的層流技術，使反應物發生分離。在正確的條件下，兩種液體流并行流動，兩者之間很少或幾乎不發生混合。不過這樣的無膜電化學儲能系統的電功率從來沒有超過有膜系統，因此無膜電化學儲能系統一般作為一種學術興趣來開展研究，在商業上不存在可行性。

    無膜氫溴儲能系統的大膽創新

    麻省理工學院機械工程系的研究人員產生了一個大膽又新穎的想法，就是能否綜合無膜儲能系統和氫溴化學性質的各自優勢，把兩個有局限的系統放在一起，獲得比任何一個單獨系統要好的結果。這一方法有望擺脫隔離膜阻礙燃料電池發展的弊端，同時還可以取代傳統的無膜氧基電池表現不佳的缺點。

    氫溴反應有一個最大的特點就是其反應的可逆性。通常無膜燃料電池進去的反應物和出來的產品是不同的，因此這些系統通常是“直流”燃料電池，需要不斷輸入新鮮的反應物。氫溴化學反應的產品是電解質。電解液輸回電池，從外部充電，可形成溴和氫分子，從而達到充電的效果。這樣就可以形成一個“閉環”模式，使無膜充電電池成為可能。

    麻省理工學院設計的最新氫溴電化學儲能系統的頂部是一種含有少量鉑(pt)催化劑的多孔陽極，底部是固體石墨陰極。陽極和陰極之間流動著電解液氫溴酸，含有帶負電荷的溴離子和帶正電的氫離子。

    在放電模式下，氫溴酸電解質從左側進入主通道，在電極之間流動，底部的多孔陽極金屬網阻止電解液滲透。氫氣從頂部進入，同時，氫溴酸以及少量的中性分子溴通過一個單獨的通道進入。在陽極，鉑催化分解氫氣，形成帶正電的氫離子和帶負電荷的電子，然后通過不同的路徑移動到陰極。氫離子通過電解液，而電子經外部電路流出，提供電能。在陰極，溴吸收電子，成為帶負電荷的離子。帶負電的溴離子與帶正電的氫離子形成氫溴酸電解液。在充電過程中，氫溴酸回注到電池，氫離子回到正極，形成氫氣，分子
溴則在陽極生成。

    依靠層流技術的關鍵是防止反應物達到“錯誤”的電極。這種現象稱為交叉，可對陽極催化劑造成損害。在新設計中，金屬網可使氫氣進入電解液。

    根據最新的數值模型，研究人員發現，在電池的不同地方分子溴的濃度不同。在陰極，溴變成氫溴酸，溴在擴散到電解液的流動過程中，其濃度會降低。如果時間充分，溴最終會流動到陽極，帶來不必要的交叉影響。不過研究人員在設計中注意到了這個問題，并采取了措施以確保溴分子反應物不會達到陽極。

    原型電池儲能的高效率及低成本令人欣喜

    為了測試無膜氫溴儲能系統的概念，研究人員設計了一個小的原型電池。它由兩個0.8毫米的電極，1.4厘米長的流道及引導反應物進入設備的入口組成。研究人員根據不同的流量和不同的反應物濃度對原型電池進行了一系列實驗。即便在尚未優化的條件下，該電池在室溫和室內壓力下，其最大功率密度為795毫瓦每平方厘米(mw/cm2)。其性能與最佳有膜氫溴電池相當，比其他無膜電化學儲能設備高兩到三倍。

    原型電池的充電效率同樣令人興奮。研究人員在閉環模式下，把回收的反應產品充入設備中進行充電。在反向操作中，對純氫溴酸加電，成功制備出氫和溴。正向和反向模式的實驗結果顯示，反應物濃度越高，功率密度越高，雙向電壓效率達200mw/cm2的超過90%，是峰值功率的25%。這些結果表明原型電池的充放電效率均具有非常大的潛力。

    初步的成本估算也令人十分欣喜。傳統的有膜燃料電池，催化劑和隔離膜約占總成本的一半。新氫溴電池不需要隔離膜，沒有陰極催化劑，陽極催化劑用量很少。此外，由于氫溴電池的功率密度較高，系統所需能源大小減少，這也進一步降低了成本。研究人員目前還在繼續改善他們的系統，試圖讓電極靠得更近，以獲得更高的功率密度。由于所有的反應發生得很快，即便沒有隔離膜的限制，氫離子穿過電解液的速度依然有一定的限制。此外，他們正在開發全新的電池結構，確保電解液在閉環操作的捕獲和回收過程中，不含有溴分子。